Silikon Floresansı ile Çimentodaki Hasarı Tespit Etme

Rice Üniversitesinden bilim insanları, Portland çimentosundaki silikon kristallerinin, betonda normalde gözden kaçabilecek hasarları erken ortaya çıkarabilen floresan, kızılötesi bir ışık yaydığını keşfetti.

Rice’taki araştırma grupları ile Kuveyt Bilimsel Araştırma Enstitüsü arasındaki iş birliği, Portland çimentosunun görünür ışıkla aydınlatıldığında yakın kızılötesi floresans yayan mikroskobik silikon kristalleri içerdiğini tesadüfen keşfetti.

Bu araştırmada iki önemli nokta dikkat çekti. Birincisi, emisyonun tam dalga boyunun bir yapıdaki belirli çimento tipini tanımlamak için kullanılabilmesidir. İkincisi ve belki de daha önemlisi, yakın kızılötesi emisyonun çimento veya betondaki çok küçük çatlakları bile ortaya çıkarabilmesidir. İşin püf noktası, beton yeniyken üzerine ince bir kat opak boya uygulamaktır. Yakın kızılötesi taramalarda sağlam beton siyah görünür ve parlayan ışık en küçük çatlakları bile ortaya çıkarır.

Rice Kimyageri Bruce Weisman, Rice Yapı Mühendisi Satish Nagarajaiah ve Kuveyt Bilimsel Araştırma Enstitüsü Araştırmacısı Jafarali Parol’un laboratuvarları tarafından yapılan açık erişimli çalışma Scientific Reports’ta yer alıyor.

Makalenin ilk yazarı Wei Meng, Rice ekibinin karbon nanotüplerle optik gerinim algılaması üzerine uzun süredir devam eden çalışmasını sürdürürken bu fenomeni keşfetti.

“Bu, gerinim ölçüm tekniğimizi çimento ve betona uygulamaya çalıştığımız bir projeden ortaya çıktı, ancak nanotüp filmle kaplanmış bir numuneyi aydınlattığımızda beklenmedik bir sorunla karşılaştık.” dedi. Weisman, nanotüp spektroskopisine öncülük ediyor.

“Film spektrumundaki zirvelerden birinin, bir yerden gelen çok daha güçlü bir emisyon nedeniyle gizlendiğini gördük. Bunun çimentodan kaynaklanacağını hiç beklemiyorduk. Sonunda, emisyonun gerinim ölçümümüzü etkilememesi için numuneyi maskelemeyi başardık.” dedi.

“Ayrıca bunun kendi başına ilginç olabileceğini aklımızın bir köşesinde tuttuk.”

Emisyonun olağan dışı spektral imzası, araştırmacıların kaynağın saf silikon kristalleri olduğu sonucunu çıkarmasına olanak sağladı.

Weisman “Silikat adı verilen mineraller çimentonun ana bileşenleridir ve yüksek sıcaklıktaki üretim süreci sırasında çok küçük miktarların mikroskobik silikon kristalleri oluşturacak şekilde ayrıştığını varsaydık. Emisyon dalga boyları bize yaklaşık 10 nanometreden daha büyük olduklarını söylüyor, ancak çok daha büyük olamazlar, yoksa insanlar onları uzun zaman önce fark etmiş olurdu.” dedi.

Meng, siyaha boyanmış ve ortasında delikler açılmış küçük beton bloklar üzerinde deneyler yaptı. Bunlar, bloklar sıkıştırıldığında dışarıya doğru yayılan ve aynı zamanda boyayı çatlatan mikro çatlaklar oluşturmak için odak noktaları görevi gördü. Floresan sinyalin küçük çatlaklardan geldiğini ve taramalı lazerle kolayca haritalanabileceğini buldu.

Sismik olaylara dayanacak şekilde altyapı/yapısal izleme, sistem tanımlama, hasar tespiti ve uyarlanabilir sertlik yapı sistemlerinde uzmanlaşan Nagarajaiah, “Beton yapıların izlemeye ihtiyacı var ve bu onları izlemenin bir yoludur.” dedi.

Yapılarda, özellikle de gerilime maruz kalacaklarını bildiğimiz kritik yerlerde, çatlakların nerede olduğuna dair net bir fikir edinmek oldukça önemli olabilir.”

Daha iyi çatlak tespitinin faydalarının köprüler ve binaların ötesinde, nükleer enerji santrallerindeki veya gemilerdeki muhafaza yapılarına veya erişimi zor olan kuyu ve boru hatlarının iç kısımlarına kadar uzanabileceğini söyledi.

Araştırmacılar, pratik bir yaklaşımın kritik yapılara ışık tutmak ve onları yakın kızılötesi kamera ve dar bantlı spektral filtre kullanarak fotoğraflamak olduğunu söyledi.

Weisman, “Çimento matrisinde çatlama, betondaki sorunun erken bir belirtisi olabilir, bu nedenle beton yapıların yapısal bütünlüğü ve güvenliğiyle ilgilenen insanlar mikro çatlakları büyümeden önce tespit etmek isterler.” dedi.

Rice, araştırma bilimcisi Sergei Bachilo, çalışmanın ortak yazarıdır. Nagarajaiah inşaat ve çevre mühendisliği, malzeme bilimi ve nanomühendislik ve makine mühendisliği profesörüdür. Weisman kimya, malzeme bilimi ve nanomühendislik profesörüdür.

Kaynak: https://phys.org/news/2022-01-silicon-fluorescence-microcracks-cement-revealing.html